Напряжение тягового двигателя электровоза

Электровозы постоянного тока — Устройство электровоза (Часть 2)

Опубликовано 12.06.2020 · Обновлено 04.02.2021

С общими чертами электровозов постоянного и переменного тока мы слегка разобрались в первой части. Начинаем разбирать их очень существенные отличия, как конструктивные, так и отличия в управлении.

Электровоз постоянного тока

В кузове данного локомотива расположены:

и многие другие необходимые для работы электровоза аппараты. Количество мотор-вентиляторов на «постоянниках» невелико, обычно один или два, мотор-компрессор также один на секцию, на пассажирских электровозах устанавливается, как правило, два мотор-компрессора.

Все силовые и низковольтные цепи управления коммутируются контроллером машиниста, установленного в кабине, а также посредством кнопочных выключателей, кнопок и т.д. Напряжение в цепях управления составляет 50 вольт постоянного тока, им же происходит заряд аккумуляторной батареи. Ток для питания цепей управления вырабатывается генератором управления.

Интересный вопрос: Почему бы не подвести напрямую к контроллеру машиниста силовые цепи?

Конечно, нельзя подвести в кабину машиниста к контроллеру силовые кабели, это очень опасно, поэтому вся регулировка напряжения на ТЭД и многое другое производится через низковольтные цепи управления, посредством реле со своими блокировками в цепях, контакторами электропневматическими, электромагнитными, пневматическими блокировками и т.д.

Все силовые контакторы имеют устройства для дугогашения, тяговые электродвигатели подключаются к силовой цепи пневматическими контактами с дугогашением, называемыми «линейными». Электродвигатели вентиляторов и компрессоров работают на постоянном токе. Все высоковольтное оборудование электровозов как постоянного, так и переменного тока располагается в высоковольтных камерах (ВВК), которые обычно поделены на отсеки – блоки силовых аппаратов (БСА).

Силовые цепи (машинное отделение электровоза)

Электробезопасность

Так вот, просто так в ВВК никто не зайдет, потому что они закрываются подвижными металлическими сетчатыми дверями (как в купе), именуемыми на языке профессионалов «шторками». Как только машинист поднимает токоприемник, то сразу получает питание вентиль защиты, который открывает доступ воздуха к пневматическим цилиндрам блокировок ВВК, а те в свою очередь выпускают штока, которые заходят в пазы на специальных кронштейнах, приваренных к шторкам и все, ВВК надежно закрыты и заблокированы.

Если шторку, где- то не закрыли полностью, шток блокировки уперся в торец двери, то токоприемник не поднимется, придется искать неплотность и заново закрывать шторки. А теперь попасть в ВВК можно будет только тогда, когда машинист опустит токоприемник.

Как работает электровоз

Вот мы и подошли к главному, а как работает вся эта система, как управляется и тянет целый состав. Кажется, что можно сразу включить быстродействующий выключатель, он подключит ТЭД к контактной сети и поехали! Но на деле все не так просто, это касается электровозов обоих систем тока.

Что же мешает сделать так сразу?

Когда происходит пуск электродвигателя, то его якорь неподвижен и в его обмотке э.д.с. не возникает, а ведь именно она уравновешивает подведенное к ТЭД напряжение. Вот поэтому в это самое первое мгновение, когда якорь не двигается, ток зависит только от величины приложенного напряжения и сопротивления обмоток якоря, а оно очень невелико. В связи с этим через все обмотки ТЭД пойдет очень большой ток, на который ни ТЭД, ни другое оборудование электровоза не рассчитаны и БВ сразу-же разомкнет силовую цепь.

Управление движением электровоза

На электровозах постоянного тока для ограничения пускового тока все ТЭД перед пуском соединяются последовательно. Ну а для ограничения тока в силовую цепь введен пусковой реостат, сопротивление которого регулируется, посредством контроллера машиниста. Что-же представляет из себя этот пусковой реостат? Это сопротивления (резисторы), которые соединены последовательно и включены в силовую цепь, таким образом можно регулировать подводимое напряжение к ТЭД – если все резисторы включены, то сопротивление большое и по электродвигателям пойдет небольшой ток, затем в процессе разгона можно выводить из этой цепи сопротивления и соответственно будет увеличиваться величина тока.

Чтобы обеспечивалось постоянное ускорение необходимо уменьшать сопротивление реостата таким образом, чтобы касательная сила и ток в ТЭД оставались постоянными. Когда токи и мощность ТЭД большие, то трудно осуществлять плавное реостатное регулирование. В связи с этим применяется ступенчатое регулирование: отдельные секции реостата отключаются с помощью индивидуальных контакторов. Ступени пускового реостата рассчитаны для наибольшего допустимого тока ТЭД. Пусковые реостаты собираются из отдельных резисторов, изготовленных из сплавов с большим сопротивлением, объединяя их в конструкции, называемые ящиками.

Но это еще не все, для дальнейшего разгона необходимо осуществлять перегруппировку ТЭД, чтобы повышать напряжение, подводимое к электродвигателю. Выглядит это так: при трогании с места все ТЭД соединены последовательно, далее при увеличении скорости ТЭД соединяются последовательно-параллельно, ну и далее параллельно. Таким образом, переключая двигатели с одного соединения на другое получается на каждом из них три значения напряжения, когда реостат выведен.

Такое переключение ТЭД называется «переходом». Переход производится с помощью групповых переключателей, состоящий из общего привода с расположенными на нем контакторами. Как я выше писал, регулировка частоты вращения ТЭД производится изменением магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, при неизменном подводимом напряжении. На всех ТЭД применяется последовательное возбуждение: обмотки возбуждения и обмотки якоря соединены последовательно, это применено на электровозах обоих систем тока. В таких ТЭД это возможно только уменьшая магнитный поток, что называется «ослаблением поля». На всех электровозах для осуществления ослабления поля параллельно к обмотке возбуждения подключают резистор, таким образом довольно просто получить несколько ступеней ослабления поля, путем изменения сопротивления этого самого шунтирующего резистора, разбивая его на несколько секций.

Читайте также:  Кпд поршневых паровых двигателей

Осуществляется это путем включения соответствующих контакторов. На наших электровозах применяется от двух до четырех ступеней ослабления поля. Ослабление включается вручную машинистом, посредством рукоятки ОП, расположенной на контроллере.

Но могут случаться при движении и различные мелкие неприятности: контактная сеть может кратковременно отключаться от тяговой подстанции или кратковременно может произойти отрыв токоприемника от контактного провода. В результате этого может произойти искрение под щетками, которое легко может перейти в круговой огонь по коллектору ТЭД, что приводит к его выходу из строя, на профессиональном языке это явление называется «переброс». Для предотвращения этого явления с резистором ослабления поля последовательно включен индуктивный шунт (ИШ).

Изменение направления вращения ТЭД

Для изменения направления движения электровоза необходимо изменить направления магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения. Но на некоторых типах отечественных электровозов переменного тока реверсирование производится путем изменения направления тока в якорях ТЭД.

Электровозный реверсор

Это достигается электрическими аппаратами, которые называются «реверсорами», это аппараты кулачкового типа с контакторами, приводимыми в движение кулачковым валом, через электропневматические клапаны. Управление реверсором осуществляется с контроллера машиниста, через установленную на нем реверсивную рукоятку.

Контроллер машиниста

Теперь еще немного о контроллерах машиниста. Как я писал выше, нельзя подводить силовую цепь электровоза непосредственно к контроллеру машиниста, это очень опасно, да и такой контроллер потребовал-бы уйму изоляции и получился бы просто огромным. Поэтому контроллер является дистанционным аппаратом косвенного управления силовыми и другими цепями электровоза через низковольтные цепи управления.

кабина электровоза эп1

» data-medium-file=»https://i.dvizhenie24.ru/2019/07/4-300×225.jpg» data-large-file=»https://i.dvizhenie24.ru/2019/07/4.jpg» width=»600″ height=»450″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/07/4.jpg» alt=»кабина электровоза эп1″ data-srcset=»https://i.dvizhenie24.ru/2019/07/4.jpg 600w, https://i.dvizhenie24.ru/2019/07/4-300×225.jpg 300w» data-sizes=»(max-width: 600px) 100vw, 600px»/> Контроллер машиниста (рука машиниста на контроллере), слева — реверсивная рукоятка

Любой контроллер включает в себя главные рукоятки, рукоятки ослабления поля и реверсивные, также с него производится управление в режиме электрического торможения. Рукоятки контроллера вращают кулачковые валы, к которым подходят электрические контакты («пальцы»), с небольшими роликами, которые перемещаются по поверхности кулачков и этим самым замыкая или размыкая необходимые контакты в цепях управления, а те в свою очередь своими аппаратами и контакторами работают в силовой цепи.

Силовая часть контроллера машиниста

Вся эта схема применяется на электровозах обоих систем, только контроллеры электровозов постоянного и переменного тока отличаются. В настоящее время на современных электровозах с внедрением новейших полупроводниковых систем управления контроллеры значительно изменились в сторону минимализма.

Это теперь небольшие штурвалы или джойстики, но тем не менее функция управления у них осталась прежней. Теперь о контроллере грузового электровоза постоянного тока – это довольно внушительная конструкция, установленная слева от пульта машиниста. Контроллер имеет три рукоятки: главную, тормозную и реверсивно-селективную.

электровоз эп1м кабина

» data-medium-file=»https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/img_2455_-_-300×220.jpg» data-large-file=»https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/img_2455_-_-1024×750.jpg» width=»1024″ height=»750″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/12/img_2455_-_-1024×750.jpg» alt=»электровоз эп1м кабина» data-srcset=»https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/img_2455_-_-1024×750.jpg 1024w, https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/img_2455_-_-300×220.jpg 300w, https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/img_2455_-_-768×563.jpg 768w, https://i.dvizhenie24.ru/2019/12/img_2455_-_.jpg 1200w» data-sizes=»(max-width: 1024px) 100vw, 1024px»/> Электровоз ЭП1м кабина — рукоятка (современный контроллер машиниста)

Главная рукоятка имеет 37 фиксированных позиций, из которых 16, 27 и 37 являются ходовыми, а остальные пусковыми. Тормозная рукоятка имеет 20 позиций – 4 ослабления поля и 16 тормозных. Фиксация главной и тормозной рукояток осуществляется по позициям защелками рукояток, западающими в пазы секторов, расположенных на крышке контроллера.

Реверсивно-селективная рукоятка имеет девять положений: нулевое, четыре положения в направлении Вперед (М-тяговый режим; П;СП;С – рекуперативные режимы. Такие же четыре положения в направлении Назад.

Вот так вкратце осуществляется управление движением электровозов постоянного тока. В электровозах обоих систем тока есть много общего, как я уже писал выше, в следующей части мы рассмотрим работу песочниц, тормозной системы, системы защиты от перегрузок, противопожарной системы. Все это работает и в электровозах переменного тока, к которым мы приступим в следующей части.

Источник

Напряжение тягового двигателя электровоза

Устройство тягового двигателя


Рис. 15. Разрез тягового двигателя электровоза постоянного тока

Обеспечить длительную безотказную работу тяговых двигателей в таких сложных условиях можно лишь при высоком качестве проектирования и изготовления, правильной эксплуатации и своевременном ремонте.

Якорь. У тягового двигателя якорь (рис. 16, а) состоит из сердечника, вала, обмотки и коллектора.


Рис. 16. Якорь тягового двигателя

Сердечник собран из штампованных листов специальной электротехнической стали (рис. 16, б). Каждый лист изолирован от соседнего тонким слоем лака. Проще, казалось, было бы выполнить сердечник в виде сплошного цилиндра. Объясним, почему этого делать нельзя.

Когда якорь вращается, магнитные силовые линии пересекаются не только обмоткой, уложенной на нем, но и сердечником, вследствие чего в нем индуктируются э. д. с. Значения этих э. д. с. в точках сердечника, имеющих разные радиусы вращения, неодинаковы: чем ближе точки к поверхности, тем э. д. с. больше. Точки, лежащие ближе к поверхности сердечника, за одно и то же время проходят больший путь и пересекают большее число магнитных силовых линий, чем точки, расположенные недалеко от оси вращения. Под действием разности э. д. с., наведенных в сердечнике, возникают токи, которые называют вихревыми. Даже при небольшой разности э. д. с. вихревые токи могут быть очень значительными, так как электрическое сопротивление сплошного массивного цилиндра мало. Вихревые токи, проходя по сердечнику, нагревают его. На это бесполезно тратится электрическая энергия и тем самым снижается к. п. д. двигателя.

Читайте также:  Коробка передач газель передаточные

В сердечнике делают ряд круглых отверстий для пропуска воздуха, охлаждающего якорь, который нагревается теплом, выделяемым обмоткой при прохождении по ней тока, и не полностью устраненными вихревыми токами.

Валы якорей тяговых двигателей изготовляют из особой стали повышенного качества. И все же иногда приходится заменять «уставшие» валы. Поэтому листы сердечника собирают на специальной втулке, а не непосредственно на валу. Это позволяет при необходимости выпрессовать вал из втулки, не разбирая сердечник, обмотку и коллектор.

Обмотку якоря укладывают в пазы его сердечника. Проводники обмотки соединяют один с другим в определенной последовательности, применяя так называемые лобовые соединения. Последовательность соединения должна быть такой, чтобы все силы взаимодействия, возникающие между проводниками с током и магнитным потоком, стремились вращать якорь двигателя в одну сторону. Для этого соединяемые проводники, образующие виток, должны располагаться один от другого на расстоянии, примерно равном расстоянию между полюсами.

Начало и конец витка присоединяют к разным коллекторным пластинам в определенной последовательности, тем самым образуя обмотку якоря. Таким образом, обмотка составляется из отдельных витков, называемых секциями.

Показать обмотку якоря на чертеже в том виде, как ее выполняют в электрической машине, очень сложно. Поэтому для наглядности изображения полюсы электрической машины и пластины коллектора, которые в действительности расположены по окружности, на рисунке изображают в виде развертки на плоскости. Это позволяет показать расположение проводников обмотки относительно полюсов магнитной системы, соединение проводников один с другим и с пластинами коллектора, а также соединение секций.


Рис. 17. Петлевая (а) и волновая (б) обмотки якоря

Уложенную обмотку необходимо закрепить в пазах, иначе при вращении якоря обмотка под действием центробежной силы будет вырвана из пазов. Закрепить ее можно, либо наложив бандажи на цилиндрическую поверхность якоря, либо поставив клинья в пазы (рис. 18).


Рис. 18. Клиновое крепление обмотки

Бандажи занимают по высоте меньше места, чем клинья, и ставить их проще. Однако в бандажах теряется энергия, поскольку они вращаются в магнитном поле. Не исключена и вероятность нарушения их пайки под действием тепла, выделяемого в обмотках двигателей и в самих бандажах. Кроме того, при больших окружных скоростях бандажи не обеспечивают необходимую прочность крепления. Крепление обмотки клиньями достаточно надежно, а поэтому такой способ и получил преимущественное применение в мощных тяговых двигателях, Но при этом высота паза, а следовательно, и диаметр якоря двигателя увеличиваются.

В настоящее время применяют бандажи из стеклоленты, пропитанной клеющими лаками. Такие бандажи не имеют недостатков, присущих проволочным бандажам.

Производство новых электроизоляционных материалов высокой прочности позволило создать (пока опытные) гладкие беспазовые якоря, т. е. укладывать обмотки на гладкую цилиндрическую поверхность. Это снижает стоимость изготовления двигателей и расходы на содержание их в эксплуатации.

Лобовые соединения обмотки крепят только бандажами.


Рис. 19. Коллектор тягового двигателя

Медные пластины коллектора имеют в сечении форму клина. Одна от другой они изолированы прокладками из коллекторного миканита. Миканит изготовляют из лепестков слюды, обладающей очень высокими электрической прочностью и теплостойкостью, а также влагостойкостью. Склеивают лепестки специальными лаками или смолами.

В нижней части коллекторные и изоляционные пластины имеют форму так называемого ласточкиного хвоста. Ласточкины хвосты пластин и прокладок надежно зажаты между коробкой коллектора и нажимной шайбой, стянутыми, болтами. Такое крепление обеспечивает сохранение строго цилиндрической формы коллектора, что очень важно. Ведь к поверхности коллектора все время прижимаются щетки. Стоит хотя бы одной пластине выйти из очертания окружности коллектора, как щетки начнут подпрыгивать, искрить, что может привести к повреждению двигателя.

То же самое произойдет при недостаточно высоком качестве обработки коллектора, а также в случае образования на его поверхности вмятин и выступов.

От коробки и нажимной шайбы коллекторные пластины изолируют, прокладывая конусы и цилиндр, изготовленные из миканита. Коллекторные пластины имеют выступы, называемые петушками. В петушках сделаны прорези, куда впаивают концы секций обмотки якоря.

Щетки и щеткодержатели. Через щетки, установленные в щеткодержателях, электрический ток подводится к обмотке якоря тягового двигателя.

Щетки для тяговых двигателей изготовляют из сажи, кокса, антрацита, превращающихся при нагреве в электрической печи в искусственный графит. Такие щетки называют электрографитизированными. Изготовляя их, стремятся к тому, чтобы они имели высокое переходное сопротивление, низкий коэффициент трения, были упругими, износостойкими.

Читайте также:  Двигатель на оке трусит

Одна щетка обычно перекрывает несколько коллекторных пластин, что ухудшает коммутацию двигателей. Однако, если щетки и коллекторные пластины выполнить равными по ширине, то щетки получились бы очень тонкими и хрупкими. Кроме того, при прохождении большого тока необходимо обеспечить достаточную поверхность контакта между щетками и коллектором. Поэтому, чтобы получить необходимую площадь рабочей поверхности щеток при небольшой их ширине, пришлось бы щетки удлинить, а это привело бы к удлинению коллектора. Размеры же двигателя ограничены габаритом электровоза и увеличение длины коллектора вызвало бы необходимость уменьшить длину сердечника якоря и проводников обмотки, что в свою очередь привело бы к снижению мощности двигателя.

Щеткодержатель (рис. 20) состоит из корпуса и кронштейна. Корпус соединяют с кронштейном болтом. Для более надежного крепления и лучшего электрического контакта соприкасающиеся поверхности кронштейна и корпуса сделаны рифлеными. Щеткодержатели должны быть надежно изолированы от остова двигателя. Поэтому их кронштейны крепят к остову или подшипниковым щитам с помощью изоляторов.


Рис. 20. Щеткодержатель тягового двигателя

Щетки прижимаются к поверхности коллектора пальцами, соединенными с пружинами. Для улучшения контакта между щетками и коллектором применяют составные (разрезные) щетки.

Остов. У тягового двигателя остов (рис. 21) одновременно служит магнитопроводом, к нему крепят главные и дополнительные полюсы. Остов (ярмо) должен оказывать минимальное сопротивление прохождению магнитного потока, поэтому его изготовляют из стали, обладающей хорошими магнитными свойствами.


Рис. 21. Остов тягового двигателя

В магнитной системе тяговых двигателей, установленных на электровозах переменного тока, пульсирующий выпрямленный ток вызывает дополнительные потери. Чтобы снизить их, в массивный остов часто впрессовывают вставку, набранную, подобно якорю, из отдельных листов.

Остову в поперечном сечении придают почти квадратное очертание с несколько срезанными углами. Такая форма позволяет уменьшить объем двигателя, что очень важно для размещения его на электровозе. Иногда остовы делают восьмигранного или круглого сечения. Это позволяет уменьшить массу двигателя, но зато возрастает занимаемый им объем. Остов имеет горловины, через которые в нем устанавливают полюсы, якорь и другие детали; предусмотрены в остове также окна для подвода и отвода охлаждающего воздуха. В процессе эксплуатации электровоза необходимо периодически проверять состояние коллектора. Для этого в остове имеются смотровые люки, надежно закрываемые крышками.

Подшипниковые щиты. Ими плотно закрывают горловины остова с обеих сторон. Концы вала якоря закрепляют в подшипниках, размещенных в щитах. Поэтому щиты называют подшипниковыми. В настоящее время применяют только роликовые подшипники качения, более надежные, чем шариковые, и подшипники трения скольжения. Роликовые подшипники не требуют частого пополнения смазки и постоянного ухода.

Главные полюсы. Они представляют собой сердечники, на которые надеты катушки (рис. 22). Сердечники главных полюсов, как и якоря, собирают из отдельных листов стали. Но зачем это делать? Ведь по катушке сердечника проходит постоянный ток, который создает постоянный магнитный поток, а сам сердечник неподвижен и, следовательно, вихревые токи в нем возникнуть не могут. Все это было бы так, если бы якорь имел гладкую поверхность. В действительности, зубцы и впадины его сердечника, перемещаясь при вращении под полюсами, искажают магнитное поле и вызывают пульсацию магнитного потока. Из-за этого в сердечнике полюса возникают вихревые токи. Вот и приходится набирать сердечник из тонких листов стали.


Рис. 22. Главный полюс тягового двигателя

Чтобы обеспечить необходимое распределение магнитного потока по поверхности якоря, сердечнику придают довольно сложную форму. Сердечник такой формы проще выполнить, набирая его из отдельных листов стали.

Дополнительные полюсы. Как и главные, они состоят из сердечников и катушек. Магнитный поток, необходимый для компенсации реактивной э. д. с., сравнительно невелик. Поэтому дополнительные полюсы делают меньшего размера, чем главные. Потери в их сердечниках, вызываемые пульсацией магнитного потока, незначительны, поэтому сердечники изготовляют сплошными. В тяговых двигателях с впрессованными вставками сердечники дополнительных полюсов штампуют заодно с листами, из которых собирают вставку.

Катушки дополнительных полюсов наматывают из полосовой меди. Число дополнительных полюсов равно числу главных.

Остов, главные и дополнительные полюсы образуют магнитную систему тягового двигателя. Магнитная система обеспечивает усиление магнитного потока, его концентрацию в определенных частях двигателя.

Электрическая изоляция. Изоляция играет важную роль в обеспечении надежной работы любого электрического устройства, в том числе и тяговых двигателей.

Применение изоляции высокого класса повышает надежность тягового двигателя, позволяет при тех же размерах реализовать большую мощность, допускать более высокие температуры нагрева его частей.

Что же изолируют в тяговых двигателях? Прежде всего обмотку якоря. Параллельные проводники одной секции изолируют один от другого. Кроме того, секции изолируют друг от друга, а также относительно сердечника якоря (корпусная или главная изоляция, рис. 23). В катушках полюсов изолированными выполняют отдельные витки, слои витков и выводные концы, изолируют также всю катушку относительно остова двигателя (корпусная или главная изоляция).


Рис. 23. Изоляция секции

Кронштейны щеткодержателей изолируют с помощью фарфоровых изоляторов (см. рис. 20). Изоляцию коллекторных пластин относительно корпуса и друг от друга выполняют так, как показано на рис. 19.

Источник

Ответы на популярные вопросы
Adblock
detector